金屬密封耐磨全焊接球閥是近年來(lái)技術(shù)發(fā)展最快的一類(lèi)閥，現(xiàn)代煤化工由于工況及工藝介質(zhì)的特殊性，嚴(yán)格要求金屬硬密封全焊接球閥的密封性能，閥座密封等級(jí)要達(dá)到美國(guó)流體控制學(xué)會(huì)ANSI/FCI70－2的ClassⅤ級(jí)閥座泄漏標(biāo)準(zhǔn)。密封失效是此類(lèi)閥門(mén)最常見(jiàn)的失效形式之一，而決定一對(duì)密封副密封性的重要因素是比壓、不平度和壓差。在壓差和加工精度確定的情況下，密封性能在很大程度上取決于密封面上的密封比壓（密封面上單位面積上的壓力）。影響球閥主密封結(jié)構(gòu)密封比壓的參數(shù)主要有密封寬度、壓力角、壓差、預(yù)緊力等。如果這些參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)碟簧過(guò)載，啟閉扭矩過(guò)大，導(dǎo)致閥座及球體表面涂層應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋，甚至剝落，高溫時(shí)形成球體“卡死”的現(xiàn)象。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，金屬硬密封球閥的比壓計(jì)算采用近似公式。
由于該公式在計(jì)算時(shí)采用密封面平均直徑得出平均密封比壓，因此不能準(zhǔn)確反映密封副上的密封比壓分布；若用數(shù)學(xué)分析方法獲得密封面上的理論值，計(jì)算程序復(fù)雜而且結(jié)果不精確。目前，各類(lèi)高校及科研院所對(duì)閥門(mén)密封性開(kāi)展了大量研究，針對(duì)球閥軟密封的有限元分析已趨于成熟，而對(duì)于硬密封球閥的密封性能報(bào)道甚少，特別是采用有限元分析方法進(jìn)行球閥主密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道。
鑒于此，本文以硬密封球閥典型進(jìn)口端密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立主密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，并結(jié)合密封比壓的評(píng)價(jià)模型采用大型通用非線(xiàn)性分析軟件ABAQUS作為求解工具，重點(diǎn)研究硬密封球閥的密封比壓與各參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而建立不同密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的模型，揭示密封結(jié)構(gòu)的密封寬度、壓力角、DMP/DJH等影響因素對(duì)密封的影響，以期得到密封與啟閉扭矩的平衡參數(shù)，完善硬密封閥門(mén)的設(shè)計(jì)理論與方法。
1 密封性能評(píng)價(jià)模型
選擇合適的密封比壓是保證閥門(mén)密封、壽命和結(jié)構(gòu)緊湊的關(guān)鍵因素。當(dāng)球閥在預(yù)緊狀態(tài)下球體相對(duì)閥座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封副之間由于切向應(yīng)力產(chǎn)生摩擦磨損。目前研究表明，金屬材料摩擦副之間的摩擦磨損率隨著載荷的增加有一個(gè)臨界載荷，即在臨界載荷下，磨損率較小，而大于臨界載荷，磨損率迅速增大，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損。因此，為避免鎖渣閥在頻繁地啟閉過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的摩擦磨損，密封面的比壓必須盡量小，但又要保證足夠密封。因此，閥門(mén)的密封比壓必須滿(mǎn)足以下條件：
（1）其中：qb為保證密封必需比壓，單位MPa；q為實(shí)際比壓，單位MPa；［q］為密封面材料的許用比壓，單位MPa。根據(jù)不同的密封面寬度、壓力及材料進(jìn)行試驗(yàn)，得到當(dāng)密封面材料為鋼或是硬質(zhì)合金時(shí)的球閥必需比壓經(jīng)驗(yàn)公式可表示為：
（2）其中：h2為密封面徑向投影寬度，單位cm；m為與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，常溫水m＝1，高溫液體、氣體m＝1.4；p為介質(zhì)壓力，單位MPa；qb為密封必需比壓，單位MPa。
本文中，當(dāng)p＝15MPa、h2＝5mm（設(shè)計(jì)值）時(shí)，必需比壓按式（2）計(jì)算得到qb＝32MPa，而［q］＝150MPa。
關(guān)鍵詞： 全焊接球閥
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